密置焊接高强复合箍筋约束高强混凝土柱的试验

徐鑫，李升才

（华侨大学 土木工程学院，福建 厦门361021）

高强箍筋约束混凝土除了拥有普通混凝土所具有特性外，还具有高强度、经济性、高耐久性、高工作性能和高体积稳定性等良好性能.高强度可以减小构件的截面尺寸，减少混凝土用量，降低结构自重，增加使用空间，有着良好经济效益.其良好的工作性可以减少劳动强度，加快施工速度，进而减少成本.国内外对高强箍筋约束混凝土进行比较多的研究［1－3］，美国、日本等［4－6］对高强箍筋约束高强混凝土柱的抗震性能进行较多的研究，日本已开始将高强箍筋应用于钢筋混凝土结构的梁、柱中，并取得较好的效果.在国内对其研究也取得一定的成果，齐虎等［7］研究了箍筋约束混凝土单轴滞回本构模型，利用ABAQUS有限元软件的二次开发功能，对6种典型模型进行计算分析，提出腾－邹模型.史庆轩等［8］通过对10个高强箍筋约束高强混凝土柱在高轴压比下低周反复水平地进行加载试验，研究其抗震性能.本文通过对9个焊接环式箍筋约束高强混凝土柱以及1个绑扎环式箍筋约束高强混凝土柱进行试验，分析研究高轴压比下，焊接环式箍筋在低周反复荷载作用下对混凝土柱的约束作用.

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

1.1.1 试件的设计 按照JGJ 101－1996《建筑抗震试验方法规程》［9］的相关要求，以及华侨大学试验室的相关试验设备能力，选取原型的几何比例为1∶2的模型作为试件.对10个高宽比为5的棱柱体试件进行了低周反复试验，其中HRC－1～HRC－9为焊接环式箍筋约束高强混凝土柱，HRC－10为绑扎环式箍筋约束高强混凝土柱.10个棱柱体试件尺寸相同，变化因素有轴压比、箍筋间距及箍筋类型，混凝土强度等级为C50.采用425号普通硅酸盐水泥，粗骨料为粒径不大于20mm的碎石，细骨料为普通中砂，其配合比设计为水∶水泥∶砂∶石＝220∶500∶536∶1 194.水灰比0.44.箍筋为8，强度等级为HRB 400，试件截面尺寸为200mm×200mm，柱高为1 000mm，柱下是设底座梁.HRC－1～HRC－9的箍筋采用焊接环式复合箍筋是由两个矩形螺旋箍筋组成，HRC－10采用两个矩形螺旋箍筋绑扎而成.试件的配筋和尺寸，如图1所示.

图1 试件尺寸及配筋图（单位：mm）Fig.1 Cross－section size and reinforcement of specimen（unit：mm）

1.1.2 材料力学性能及基本参数计算 试件所采用的箍筋和纵筋均采用HRB 400级，屈服强度为483MPa.为测试混凝土强度，按箍筋间距分为3组，每组试件制作过程中预留3个边长为150mm的标准立方体试块.

混凝土轴心抗压强度实测值可根据混凝土立方体抗压强度实测值求得，二者之间关系为

式（1）中：αc1为棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的比值；αc2为混凝土考虑脆性的折减系数；αc1，αc2取值均按现行规范计算［10］；fc为混凝土轴心抗压强度实测值；fc，u为混凝土立方体抗压强度实测值.

柱的实验轴压比nt为

式（2）中：Nt为轴向压力的试验值；fc为混凝土轴心抗压强度实测值；A为柱横截面面积.

配箍特征值λv为

式（3）中：ρv为体积配箍率；fy，v为箍筋的条件屈服强度.材料的基本参数，如表1所示.

表1 试件参数表Tab.1 Specimen parameters

图2 加载装置Fig.2 Loading setup

本实验采用电液伺服加载结构试验机，低周反复荷载拟静力加载，加载装置如图2所示.水平荷载采用柱端加载方式，竖向荷载由电动液压千斤顶作用于柱顶，并通过稳压控制，以保证柱轴力在试验中恒定，保证在系统加载过程中可随上部低摩擦滑动的小车水平移动.实验中试件纵筋与箍筋上布置应变片，如图3所示.通过应变片，来测定应变的屈服和破坏过程.通过改变竖向轴力，来控制每组试件的轴压比.水平反复荷载是通过1 000kN的MTS作动器进行加载.实验时先控制竖向荷载，达到所需的轴压比后稳住，并在此后的加载中保持不变.

本实验在水平加载过程中采取的是位移控制方法.试验前，在柱顶施加1／6的预定轴向荷载，通过对柱身同一截面处纵筋应变的观测，判断其是否处于轴心受力状态，并检查仪器设备是否正常工作.试件未屈服时，各位移幅值循环加载一次；当试件屈服后，各位移幅值循环加载3次；当试件的承载力达到最大荷载值85%时，加载结束.加载过程控制，如图4所示.加载过程主要测试的内容有：水平位移、水平荷载、采用电子位移计测量整个柱子的侧移、采用电阻应变片分别测量柱内纵筋、箍筋的应变.

图3 应变片布置图 Fig.3 Strain gauge arrangement

图4 加载制度 Fig.4 Schematic diagram of loading system

2 试验结果与分析

通过观察以及实验仪器记录，将各个试件加载过程的各个阶段记录下来.当各试件的承载力达到最大荷载值85%时，停止加载所对应的荷载，位移定义为破坏荷载及破坏位移.

2.1 试件破坏过程

以试件HRC－1为例，简述其从加载开始到破坏的各阶段过程及破坏形态.开始加载阶段，试件还处于弹性工作阶段，其加载与卸载曲线基本重合且为一条直线.试件在位移角为1／250之前，外表无破坏现象；当加载至位移角为1／250时，试件根部边缘开始出现水平的微缝；当加载至位移角为1／100时，试件的裂缝数量开始大量增多，裂缝宽度开始变大；试件加载至1／50时，正背面之间开始形成通缝，根部混凝土开始剥落；当加载至1／35时，试件根部混凝土进一步剥落，裂缝数目加多，裂缝变宽.当位移角到达1／25时，加载力达到了最大值182.56kN，根部混凝土大面积剥落；当位移角为1／20时，加载力不再增加，试件已达到屈服状态，保护层已大量剥落钢筋外露.各个试件破坏过程与HRC－1所述的破坏过程基本相似.不同的是，随着轴压比的增加，弯曲裂缝出现滞后，受压区竖向裂缝增多；随着箍筋间距增大，裂缝开展加快，这表明箍筋间距较大将导致对核心混凝土约束作用不足.

2.2 滞回曲线

试件在低周反复荷载作用下的过程用荷载－位移图进行描述，即为滞回曲线图.用曲线图来反映试件的承载力、刚度、刚度、延性的退化规律和耗能性能.焊接环式箍筋约束高强混凝土柱的三组轴压比在下不同箍筋间距的滞回曲线图，如图5（a），（b），（c）所示.轴压比为0.55，配筋率为3.33%时，焊接环式箍筋与绑扎环式箍筋的滞回曲线图，如图5（d）所示.

图5 滞回曲线Fig.5 Hysteresis curve

由图5可知：在试件屈服之前，滞回曲线都表现为狭窄细长且残余变形很小，包围的面积较小，耗能较少，整体刚度变化不大；但是屈服之后，曲线开始偏向位移轴，滞回环的面积逐渐增大，耗能逐渐增加，同时在每级控制位移下后一次的承载力和刚度均比第一次略有降低；所有试件的滞回曲线都很饱满，都无明显捏拢现象.在一定的轴压比下，试件的滞回曲线随着箍筋间距的减小（体积配箍率的增加），侧向承载力和屈服力的提高，滞回曲线饱满，包络面积增大，缓解了捏拢现象.最大水平荷载后曲线下降段越平缓，试件在荷载作用下的变形能力越好，在同一轴压比下，试件随着配箍率的增加，其延性越好.

由图5（a）可知：在同轴压比下，体积配箍率越大，滞回曲线越饱满.图5（b）比图5（a）的饱满程度优势更加明显，体积配箍率更大，下降段更为平缓.图5（b）中：ρv＝4.24%的滞回曲线的饱满程度相对于ρv＝3.33%的滞回曲线更加明显.同样，图5（c）比图5（a），（b）的优势也更加明显.因此，在一定的轴压比范围内，滞回曲线会随着轴压比的增大，更加饱满，极限荷载值也有所的提高.以ρv＝4.24%的配箍为例，在轴压比为0.49下其极限荷载值为175kN；在轴压比为0.55时，其极限荷载值为182kN；在轴压比为0.61时，其极限荷载值为186kN，分别提高4%，2.19%.由实验数据结合图5（a），（b），（c）可得：在低轴压下高配筋的滞回曲线的饱满程度并不明显；但随着轴压比的提高（在一定限值范围内），滞回曲线的饱满程度、曲线下降段平缓会更加明显.

由图5（d）可知：在轴压比和配筋率相同的情况下，焊接环式箍筋柱的滞回曲线明显比绑扎的更饱满、面积更大，体现了焊接环式箍筋对混凝土的约束要比绑扎的好.

试件在高轴压的低周反复荷载下，环式箍筋约束高强混凝土柱的滞回曲线仍呈稳定丰满的梭形，具有较好的延性性能；轴压比、配箍率及箍筋的链接类型均对滞回曲线有显著的影响.在其他条件相同时，轴压比较大的试件，在荷载达到最大值前，其滞回曲线比轴压比小的试件更为饱满.但轴压比较小或箍筋间距较小的试件，达到最大荷载后曲线下降较为缓慢，循环次数多，强度衰减慢，变形能力大，且达到极限位移之后滞回曲线仍较为稳定，承载力没有出现明显的较大幅度的下降，即仍具有一定的承载力和耗能能力.

2.3 骨架曲线

骨架曲线是每次循环加载达到的水平力最大峰值的轨迹，反映了构件受力与变形的各个不同阶段的特性（强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等），也是确定恢复力模型中特征点的重要依据.轴压比为0.49，0.55，0.61时，不同箍筋间距骨架曲线，如图6（a），（b），（c）所示.轴压比为0.55，配筋率为3.33%时，焊接环式箍筋与绑扎环式箍筋的骨架曲线，如图6（d）所示.

图6 骨架曲线Fig.6 Skeleton curve

由图6（a）可知以下两点.1）在同一轴压比下，配箍率越大的试件，其所加最大荷载值越大，在轴压比为0.49时，配箍率为ρv＝4.24%所加的荷载最大值为182.56kN；配箍率为ρv＝3.33%所加荷载最大值为175.36kN；配箍率为ρv＝2.59%所加荷载最大值为162.04kN.荷载最大值比较后一个分别增加了4.11%，8.22%；荷载最大值分别增加了2.57%，7.38%.试件所承受的荷载，会随着配箍率增加而增加，但这种增加趋势逐渐减小（可预测具有一定的限值）.这也说明当配箍率增加到一定程度时，对构件的最大承载力提高有限.2）在同一轴压比下，配箍率越大的试件，峰值后下降的趋势越为平缓.轴压比为0.55时，ρv＝4.24%，试件的下降率为11.28%；ρv＝3.33%，试件的下降率为19.9%；ρv＝2.59%试件的下降率为21.17%.因此，配箍率越大的试件，试件的极限承载力有一定的提高，且其达最大荷载后的极限变形能力增大，下降段趋于平缓.

对比图6（a），（b），（c）可以看出：当ρv＝4.24%时，轴压比为0.49荷载最大值为182.56kN；轴压比为0.55荷载最大值为187.65kN；轴压比为0.61荷载最大值为190.83kN，分别增加2.79%，1.67%；当ρv＝3.33%时，依次增加4.28%，2.03%；当ρv＝2.59%时，依次增加4.7%，4.19%.因此，在同一配箍率下，荷载峰值会随着轴压比的增加而有所增加，而且所增加的趋势也是逐渐减少的.

从图6（d）可知：焊接环式箍筋的混凝土柱子早期刚度比绑扎环式箍筋的混凝土柱子强，焊接环式箍筋的混凝土柱子所能承受的最大荷载值也大于绑扎环式箍筋的混凝土柱.

3 试验结果

通过对9个焊接环式箍筋的混凝土柱以及1个绑扎环式箍筋的混凝土柱的研究，结合试验的结果分析得到：跟普通钢筋混凝土柱相比，焊接环式箍筋柱的箍筋约束能力更高，所承受的荷载能力更强.结合试验结果分析，它的影响因素有配筋率、轴压比.

3.1 配箍率的影响

在一定的轴压比下，配箍率越高的滞回曲线越饱满，骨架曲线中相同位移下所能加的荷载值越大，最大水平荷载后曲线下降段越平缓.这是由于配筋率的增加，提高了箍筋对核心混凝土的约束作用，从而提高试件的变形能力.在相同的荷载下，高配箍率的试件具有更好的延性和变形能力，所以其滞回曲线也更加饱满.对核心混凝土的约束力提高了，也使构件承受荷载的能力提高了.因此，骨架曲线中在相同位移下所加的荷载值更大，下降段也更为平缓.

3.2 轴压比的影响

随着轴压比提高，试件前期的滞回曲线变得更饱满.原因是轴压比的增大，使混凝土柱的应变增大，混凝土柱中被箍筋约束住的核心混凝土因泊松比增大而向外膨胀，对箍筋施加径向压应力.箍筋对核心混凝土的反作用应力使核心混凝土处于三轴受压应力状态.而且这种作用随着轴压比增大，柱子应变也继续增大.加大核心混凝土横向膨胀，使箍筋更多参与进去，箍筋约束也更好，其应力也不断加大直到箍筋应力达到屈服强度.所以在箍筋应力达到屈服前，柱子的滞回曲线会随着轴压比增大变得更加饱满，骨架曲线中相同位移下所加的荷载值也会提高，延性也更好.但在荷载到达峰值后，较小轴压比的混凝土柱中箍筋约束的混凝土由于受到的轴压较小，混凝土横向膨胀也比较大轴压的混凝土柱小.因此，较小轴压比的混凝土柱达到峰值荷载后曲线下降较为缓慢，循环次数多，强度衰减慢，变形能力大.

4 结论

对9个焊接环式复合箍筋混凝土柱以及1个绑扎环式复合箍筋混凝土柱的实验过程、实验结果进行分析，对其箍筋的约束作用得出了以下3个结论.

1）随着箍筋配筋率的增加，混凝土柱承受低周反复承载的能力有所提高，屈服强度有所提高，滞回曲线饱满，包络面积增大，耗能能力增加.

2）随着钢筋配筋率的增加，骨架曲线中在相同位移下所能承受的荷载值更大，下降段也更为平缓，延性变得更好.

3）当其他条件相同时，轴压比较大的试件，在荷载达到峰值前，其滞回曲线比轴压比小的试件更为饱满.但轴压比较小或箍筋间距较小的试件，达到峰值荷载后曲线下降较为缓慢，循环次数多，强度衰减慢，变形能力大，且达到极限位移之后滞回曲线仍较为稳定，承载力没有出现明显的较大幅度的下降，仍具有一定的承载力和耗能能力.

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